海綿城市理念在市政道路排水設計中的應用分析

張敬陽,吳 倩

（1.廣東省建筑設計研究院有限公司,廣東 廣州 510000; 2.南寧市建設工程消防服務中心,廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著城市化的持續(xù)推進，市政道路的建設規(guī)模日益擴大，破壞了自然地面，導致城市在連續(xù)降雨天氣下容易出現(xiàn)內(nèi)澇，危及居民的生命和財產(chǎn)安全。為了解決這一問題，很多學者提出了“海綿城市”的建設理念。海綿城市道路是指道路像海綿一樣具有良好的彈性，在連續(xù)降雨天氣下，具有“滲、蓄、滯、凈、用、排”功能，以控制地面徑流、排水防澇、改善生態(tài)環(huán)境、促進水資源的循環(huán)利用等[1]。但是，目前海綿城市道路的設計理論仍不完善，可參考的落地項目較少，因此，進一步研究海綿城市理念在市政道路排水設計中的應用意義重大。

1 海綿城市道路設計原則和設計思路

1.1 設計原則

海綿城市道路設計時應在滿足基本交通功能的前提下堅持以下原則：一是生態(tài)優(yōu)先原則。道路排水設施布置時要盡量保護現(xiàn)有河流、濕地、湖泊、草地等水源敏感區(qū)，從而最大限度地保持其在道路建設前的水文特征。二是節(jié)水原則。對于缺水地區(qū)，應加大市政道路排水設施的蓄水、滯水、凈水等，以便于將雨水回收再利用。三是因地制宜原則。市政道路排水設計時要結(jié)合當?shù)厮奶卣?、地勢、氣候氣象、路網(wǎng)規(guī)劃、投資金額等合理布置LID 設施（Low Impact Development）[2]。

1.2 設計思路

為了確保海綿城市道路實現(xiàn)“小雨不積水，大雨不內(nèi)澇”的目標，排水設計應采取源頭減排、過程控制的方案。具體闡述如下：

源頭減排：利用下沉式綠地、透水鋪裝等LID 設施使雨水入滲、就地利用，從源頭上控制地表徑流，減小路面積水，以免影響行車和行人安全。

過程控制系統(tǒng)：先梳理出城市排水系統(tǒng)，對易出現(xiàn)內(nèi)澇的排水段落提高設計標準，改造原有排水設施，同時，利用山谷、自然溝壑、人工雨洪水調(diào)蓄設施等來減緩汛期洪峰，增補地下水。

2 海綿城市道路常用LID 設施設計

應用LID 設施后可以確保場地開發(fā)前后的水文特征基本保持不變，以提高雨水利用效率，減少城市內(nèi)澇。根據(jù)《海綿城市建設指南》，市政道路常用的LID 設施有透水鋪裝和生物滯留設施（生態(tài)樹池、生物滯留帶、雨水花園等）、植草溝等。

2.1 透水鋪裝設計

按使用功能不同，可將市政道路的透水鋪裝分為透水瀝青路面、透水混凝土、透水磚三類，分別闡述如下[3]：

2.1.1 透水瀝青路面

透水瀝青路面可用于交通量較大的城市主干路或快速路的機動車道，有面層排水型、基層排水型、全透水型三類，如圖1 所示。面層排水型瀝青路面只有上面層是透水材料，下面層不透水，并在上面層和下面層之間設計一層瀝青封層，以確保雨水從上面層底部排向兩側(cè)。基層排水型瀝青路面的面層和基層都是透水材料，墊層不透水，并在基層與墊層之間設計一層瀝青封層，以確保雨水從基層底部排向兩側(cè)。全透水型瀝青路面的所有結(jié)構層和路基都是透水材料，且墊層和路基之間設計一層反濾隔離層，防止?jié)B入路基中的水通過毛細作用滲入路面結(jié)構層內(nèi)部。

圖1 透水瀝青路面結(jié)構示意

2.1.2 透水混凝土

透水混凝土又稱多孔混凝土，多用于荷載＜40 kN 的非機動車道、園區(qū)道路等。透水混凝土由粗集料（粒徑＞5 mm 的碎石或卵石）、水泥基、增強劑、水等均勻拌和而成，其連續(xù)孔隙率＞10%，滲透系數(shù)≥1 mm/s。根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》（CJJ/T 135—2009），可將透水混凝土分為全透水結(jié)構和半透水結(jié)構，兩者主要區(qū)別在于基層材料不同。

2.1.3 透水磚

透水磚的結(jié)構強度小，價格也較低，多用于人行道、公園綠道等。按生產(chǎn)工藝不同，透水磚可分為燒制產(chǎn)品和非燒產(chǎn)品，前者是利用工業(yè)廢料、建筑材料等與結(jié)合劑結(jié)合，在高溫條件下燒制而成，并在磚內(nèi)預留通道孔；后者是將級配良好的水泥、石灰、黏結(jié)材料等壓制而成，磚內(nèi)也是預留通道孔。需注意，透水磚施工工藝復雜，對找平層材料配比要求較高。

2.2 生物滯留設施設計

2.2.1 生態(tài)樹池

傳統(tǒng)的樹池是高于周邊場地的，雨水難以流向樹池，且樹池中的植物以大型喬木或灌木為主，樹冠會遮擋雨水。生態(tài)樹池則是對傳統(tǒng)樹池的改造和優(yōu)化，具體如下：一方面，降低生態(tài)樹池的標高，使其頂面低于周邊場地，為雨水滲入提供條件；另一方面，在生態(tài)樹池上方鋪種植土（不壓實），下方鋪砂礫或碎石過濾層，使雨水入滲、滯留，減小市政道路排水管網(wǎng)的壓力。如果生態(tài)樹池位于地下建筑物之上，或者特殊巖土區(qū)域，需對生態(tài)樹池的側(cè)面和地面進行防水處理。

2.2.2 生物滯留帶

生物滯留帶是應用最廣的生物滯留設施，由進水口（路緣石豁口）、溢流式雨水口（和雨水管相連接）、蓄水層、種植土、沉砂井等構造物組成，如圖2 所示。

圖2 生物滯留帶典型構造

由圖2 可知：在連續(xù)降雨天氣下，道路路面匯集的雨水通過兩側(cè)路緣石豁口進入生物滯留帶。對于污染較嚴重的雨水，需先進入沉沙井預處理，再進入生物滯留帶；對于無污染或污染較輕的雨水，可直接進入生物滯留帶。當進入生物滯留帶中的雨水＞儲蓄能力，其余雨水會通過溢流式雨水口與雨水管網(wǎng)相連。此外，由于生物滯留帶中存在微生物、砂礫、碎石等，可過濾和凈化雨水。

2.2.3 雨水花園

雨水花園是將技術、藝術相結(jié)合的典范，可提升市政道路排水設施的美觀性。雨水花園是自然形成的或人工挖掘的淺凹綠地，可以匯集并吸收來自市政道路路面的雨水徑流，并利用植物等來凈化雨水，使凈化后的雨水逐漸滲入到雨水花園下方的土壤內(nèi)，以補充地下水，降道路路面徑流洪峰和徑流總量。

2.3 植草溝設計

植草溝是設置在道路兩側(cè)的淺層地表溝渠排水系統(tǒng)，可實現(xiàn)收集、輸送雨水的功能，且具有施工簡單、占地面積小、便于維護等優(yōu)勢。按斷面形式不同，植草溝有拋物線形、梯形、三角形等。需注意，用地緊張的區(qū)域，市政道路不宜使用梯形植草溝[4]。

為了確保排水效果，植草溝的縱坡坡度不宜過大或過小。當植草溝縱坡較小時，雨水可能淤積在溝內(nèi)，一旦淤積的雨水大于植草溝容量后，會漫流至路面，影響行車安全性；當植草溝過大，會因水流速度過快對溝底產(chǎn)生較大的沖擊力，侵蝕溝底土壤。此時，可考慮開挖臺階，以減小植草溝內(nèi)的水流速度。此外，植草溝內(nèi)的植物高度宜取100~200 mm，以免植物過高影響過水效率。

綜上，每個LID 排水設施的排水特性和適用條件并不完全相同。在市政道路排水設計期間，應將多種LID排水設施有機組合，共同控制路面徑流總量和峰值。

3 海綿城市道路應用實例分析

3.1 工程概況

3.1.1 建設標準

研究對象為城市主干路工程，其路線全長12.6 km，起訖樁號為K0+000~K12+600，設計速度60 km/h，設計標準為雙向四車道，紅線寬度為46 m，由中間分隔帶、機動車道、非機動車道、人行道、綠化帶等部分組成。路面結(jié)構擬采用瀝青混合料，厚度68 cm。經(jīng)調(diào)查，道路所在區(qū)域為溫帶季風性氣候，年降雨量較大，多年平均降水量約956~1 066 mm，且以短時強降雨為主，全年降雨量的80%集中在5—9 月份。為了打造高品質(zhì)、示范性城市道路工程，擬基于海綿城市理念進行優(yōu)化設計。

3.1.2 設計目標

根據(jù)所收集的該道路所在區(qū)域的降雨量資料，統(tǒng)計了不同年徑流總量控制率下的設計降雨量，見表1。

表1 年徑流總量控制率與設計降雨量的關系

由《海綿城市建設指南》可知，該市政道路設計目標如下：年徑流總量控制率達到80%，設計降雨量取43.2 mm。

3.2 設計方案優(yōu)化

3.2.1 道路排水設施

從鋪裝材料、路緣石、植草溝、生態(tài)樹池、雨水口等方面對市政道路的排水設施進行優(yōu)化設計，具體優(yōu)化方案總結(jié)見表2。

表2 海綿城市道路排水設施優(yōu)化設計方案

3.2.2 道路排水設施與周邊的銜接

與城市水系銜接：城市水系是道路雨水排放的最終受體，具備雨水調(diào)蓄功能，包括濕塘、濕地、河流水系等。道路排水管網(wǎng)中的雨水經(jīng)過城市水系的沉淀、過濾、凈化作用后，可排入城市水系。

與城市綠地銜接：在干旱區(qū)域，道路雨水可直接進入城市水系中。而在暴雨多發(fā)地區(qū)，道路雨水需先經(jīng)排水管流向調(diào)節(jié)塘，以削減峰值流量。隨后，雨水再從排水口流向城市水系中沉淀、過濾、凈化、存儲。當雨水徑流大于濕塘或雨水濕地的存儲體積，則會排向下一個調(diào)蓄設施。

3.3 設計效果評價

3.3.1 模擬方法

為了驗證海綿城市的設計效果，利用SWMM 模型（Storm Water Management Model）模擬了道路雨水的產(chǎn)匯流及下滲，具體流程如下[5]：①工程參數(shù)輸入。啟動SWMM 軟件后，要先輸入研究道路的名稱、模擬日期等，并結(jié)合道路實際情況來調(diào)整默認參數(shù)；②對象繪制。將道路沿線的匯水區(qū)域劃分成若干個子區(qū)，并生成排水管網(wǎng)；③模型運行。設置好模擬步長、運動模型等數(shù)據(jù)后運行軟件模擬降雨及道路徑流產(chǎn)生、匯集、下滲等；④結(jié)果查詢。根據(jù)研究目標，可自動導出相應成果。

3.3.2 模擬結(jié)果

結(jié)合相關研究成果，以SWMM 模型計算出的市政道路路面淹沒深度為指標來評價海綿城市道路的設計效果。當淹沒深度為＜15 cm、15~30 cm、30~50 cm、＞50 cm 時，對應的內(nèi)澇風險等級分別為無風險、低風險、中風險、高風險。在道路沿線取100 個路面淹沒深度監(jiān)測點，利用SWMM 模型計算了降雨重現(xiàn)期為10 年時各個內(nèi)澇風險等級的占比，計算結(jié)果見圖3。

圖3 海綿城市道路內(nèi)澇風險等級占比

由圖3 可知：道路上將近80%的監(jiān)測點的內(nèi)澇風險等級均為無風險或低風險，僅有2%的監(jiān)測點內(nèi)澇風險等級屬于高風險。這說明海綿城市理念在道路排水設施設計中的應用效果較好。

4 結(jié)語

該文研究了海綿城市道路的設計原則、設計思路、LID 設施設計方法，并對其設計效果進行評價，得到了以下幾個結(jié)論：

（1）海綿城市道路包括“滲、蓄、滯、凈、用、排”等要素，在設計時應采取源頭減排、過程控制的方案。

（2）海綿城市道路排水設計的關鍵是選擇合適的LID 設施及其組合方案，常用的LID 設施有透水鋪裝、生物滯留設施、植草溝等。

（3）為了驗證海綿城市道路的設計效果，可以SWMM 模型計算道路路面的淹沒深度為評價指標。